STECHIOMETRIA SPALANIA

Transkrypt

1 STECHIOMETRIA SPALANIA

2 Mole i kilomole Masa atomowa pierwiastka to średnia ważona mas wszystkich jego naturalnych izotopów w stosunku do 1/12 masy izotopu węgla: 1/ C ~ 1, kg Liczba Avogadra ~ 6, atomów Jeden mol jest to ilość materii odpowiadająca liczbie 6, (l. Avogadra) atomów danego pierwiastka lub cząsteczek związku. Objętość molowa (gazu doskon. w war. normaln.) Warunki normalne: p = Pa, T = 273,15 K (0 o C). Kmol: 22,414 l/mol 10 3 moli Masa molowa jest to ilość substancji wyrażonej w gramach odpowiadającej liczbowo masie atomowej (cząsteczkowej) tej substancji.

3 Stechiometria reakcji chemicznych Przykład reakcji chemicznej: A + 2B C 1 mol + 2 mole 1 mol A, B i C są to reagenty. A i B są substratami, a C jest produktem. Liczby występujące przed symbolami reagentów to: współczynniki stechiometryczne. Ze związków między współczynnikami stechiometrycznymi wynika stechiometria spalania i inne pochodne pojęcia.

4 STECHIOMETRIA SPALANIA Paliwa kopalne to przede wszystkim związki węgla i wodoru (C m H n ). Reakcję ich utleniania można zapisać równaniem stechiometrycznym: C m H n + (m + n/4)o 2 mco 2 + n/2h 2 O 1 mol + (m + n/4)moli (m +n/2)moli Jest to równanie stechiometrii spalania: Na jeden mol paliwa C m H n przypada dokładnie: (m + n/4)moli tlenu

5 SKŁAD MIESZANKI PALNEJ Mówi się, że skład mieszanki palnej jest stechiometryczny, jeżeli udziały paliwa i utleniacza wynikają z równania stechiometrii. W wyniku zupełnego spalania mieszanki o składzie stechiometrycznym w spalinach nie może być: ani paliwa, ani tlenu.

6 RODZAJE MIESZANEK PALNYCH RODZAJ MIESZANKI Bogata Stechiometryczna Uboga Nadmiar paliwa, niedomiar utleniacza Skład stechiometryczny Nadmiar utleniacza, niedomiar paliwa

7 PRZYKŁAD: SPALANIE METANU W POWIETRZU A. Spalanie stechiometryczne Skład powietrza: 79% N % O 2 Reakcja metanu z tlenem w powietrzu CH 4 + 2O 2 + 7,52N 2 CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2 Uwaga spalanie jest zupełne: w spalinach nie ma metanu, ani tlenu.

8 Spalanie stechiometryczne CH 4 - SKŁAD SPALIN Całkowita liczba moli spalin N równa się: N 1 mol CO mole H 2 O + 7,52 mola N 2 10,52 mole Udziały molowe składników spalin, wg analizy mokrej (woda w postaci pary) przedstawiają się następująco: [CO 2 ] 1mol CO 2 /10,52 9,5% CO 2 obj. [H 2 O] 2 mole H 2 O/10,52 19% H 2 O obj. [N 2 ] 7,52 mola N 2 /10,52 71,5% N 2 obj.

9 PRZYKŁAD: SPALANIE METANU W POWIETRZU B. Spalanie z nadmiarem powietrza Zakłada się nadmiar powietrza: 5% CH 4 + 2,1O 2 + 7,9N 2 CO 2 + 2H 2 O + 7,9N 2 + 0,1O 2 Uwaga: w spalinach jest tlen!

10 Spalanie CH 4 z nadmiarem powietrza - SKŁAD SPALIN Całkowita liczba moli spalin N równa się: N 1 mol CO mole H 2 O + 7,9 mola N 2 + 0,1 mola O 2 11 moli Udziały molowe składników spalin, wg analizy mokrej (woda w postaci pary) przedstawiają się następująco: [CO 2 ] 1mol CO 2 /11 9,09% CO 2 obj. [H 2 O] 2 mole H 2 O/11 18,2% H 2 O obj. [O 2 ] = 0,1 mola O 2 /11 = 0,91% O 2 obj. [N 2 ] 7,52 mola N 2 /10,52 71,82% N 2 obj.

11 ZAPOTRZEBOWANIE POWIETRZA DO SPALANIA Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania oznacza ilość powietrza przypadającego na jednostkę paliwa w stechiometrycznej mieszane palnej (Ω stech ). Dla paliw gazowych określa się je w m 3 /m 3 w warunkach normalnych. Rzeczywiste zapotrzebowanie powietrza do spalania zależy od założonego nadmiaru powietrza.

12 WSPÓŁCZYNNIK NADMIARU POWIETRZA ( ) = całkowita ilość powietrza do spalania teoretyczna ilość powietrza do spalania Oznaczając: V pow objętość powietrza podawanego do spalania, m 3 V gaz objętość gazu do spalenia, m 3 Ω stech stechiometryczne (teoretyczne) zapotrzebowanie powietrza, m 3 /m 3 otrzymuje się z powyższej definicji równoważne wyrażenie = V pow V gaz *Ω stech

13 ZWIĄZEK WSPÓŁCZYNNIKA NADMIARU POWIETRZA I UDZIAŁU TLENU O 2 W SPALINACH W warunkach przemysłowych określenie współczynnika λ z definicji nie zawsze jest możliwe, ponieważ często strumienie gazu lub powietrza do urządzenia często nie są mierzone. W takim przypadku należy zmierzyć udział tlenu w spalinach O 2 analizatorem i wyznaczyć wartość λ ze wzoru: 20,9 20,9 [0 2 ] gdzie: 20,9 oznacza udział tlenu w powietrzu [O 2 ] oznacza udział tlenu w spalinach wyrażony w procentach

14 WSPÓŁCZYNNIK EKWIWALENCJI (FUEL RATIO ) W literaturze angielskojęzycznej częściej niż współczynnikiem nadmiaru powietrza posługuje się współczynnikiem. = F/A (F/A) s F ilość moli paliwa, = A ilość moli powietrza 1 s - stechiometryczny

15 AIR/FUEL RATIO (AFR) i FUEL/AIR RATIO (FAR) Ze względu na łatwość wyznaczania w praktyce zastosowanie ma stosunek strumienia powietrza do paliwa określany jako AFR (Air/Fuel Ratio) AFR = A/F A strumień powietrza (A air), kg/s F strumień paliwa (F fuel), kg/s Podobnie definiuje się FAR (Fuel/Air Ratio).

16 WSPÓŁCZYNNIK NADMIARU POWIETRZA A RODZAJ PŁOMIENIA Rodzaj płomienia (lub składu mieszanki) Bogaty Stechiometryczny Ubogi <1 =1 >1 > 1 = 1 < 1

17 NADMIAR POWIETRZA (n) n = całkowita - teoretyczna ilość powietrza do spalania teoretyczna ilość powietrza do spalania Związek współczynnika nadmiaru pow. i nadmiaru powietrza n = ( -1) 100%

18 ZAPOTRZEBOWANIE POWIETRZA DO SPALANIA GAZÓW Gaz CO H 2 CH 4 C 2 H 2 C 2 H 6 C 3 H 8 Gaz ziemny Stechiometryczne (teoretyczne) zapotrzebowanie powietrza do spalania gazu, m 3 / m 3 2,38 2,38 9,52 11,90 16,70 23,80 7,80 (ok. 82% CH 4 )

19 PRZYKŁAD Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania CH 4 wynosi 9,52 m 3 /m 3 Przyjmując: strumień metanu V = 10 m 3 /h strumień powietrza V = 114,62 m 3 /h otrzymuje się: = 114,62/(10*9,52)= 114,62/95,2 = 1,2 n = (1,2 1,0) 100% = 20%